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Entwurf und Synthese von Eingebetteten Systemen

Ein Lehrbuch

Autor	Martin Bogdan, Walter Lange
Verlag	De Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr	2013
Seitenanzahl	378 Seiten
ISBN	9783486721096
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	39,80 EUR

Dieses Buch bietet eine Einführung in die wichtigsten Themen rund um Eingebettete Systeme wie zum Beispiel Technologien, Kommunikation, Mikroprozessoren, Systembeschreibungssprachen, Sensornetzwerke und High-Level-Synthese. Einen breiten Raum nimmt dabei auch das Gebiet der Entwicklungsmethodik ein. Dieser Teil ist besonders für Studenten und Informatiker gedacht, die als Entwickler tätig werden wollen oder es bereits sind.

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Inhaltsverzeichnis

1 Einführung	15
1.1 Begriffsbestimmung und Beispiele	15
1.2 Systemkategorien	17
1.3 Typischer Aufbau	19
1.4 Zusammenfassung	21
2 Bauformen und Implementierungsarten	23
2.1 Bauformen	23
2.2 Implementierungsarten	25
2.3 übersicht über Technologien für Eingebettete Systeme	26
2.3.1 Anwendungsspezifische Hardware	26
2.3.2 Feldprogrammierbare Bausteine (FPGAs)	29
2.4 Evolution der Siliziumtechnologie	34
2.5 Zusammenfassung	35
3 Mikroprozessor-Grundlagen	37
3.1 Evolution der Mikroprozessoren	37
3.2 Mikroprozessoren in Eingebetteten Systemen	38
3.3 Mikroprozessor-Grundlagen	40
3.3.1 Mikroprozessor-Architekturen	40
3.3.2 Eingabe und Ausgabe durch Befehle, Register und Interrupts	43
3.3.3 Speicher-Systeme	45
3.3.4 Hauptspeicher	51
3.3.5 Festwertspeicher (ROM)	54
3.3.6 Befehls-Verarbeitungsmethoden	54
3.3.7 Performanz und Energieverbrauch	60
3.3.8 Ein-Ausgabe-Geräte und Schnittstellen	64
3.4 Mikrokontroller und Mikroprozessoren	65
3.4.1 Niedrigpreis-Mikrokontroller	66
3.4.2 Mikroprozessoren höherer Leistung	67
3.4.3 Mikroprozessor-Familien	67
3.5 Mehrprozessorsysteme	75
3.5.1 Beispiel für ein Mehrprozessor-System: Der Cell-Prozessor	77
3.6 Prozesse und Betriebssysteme	78
3.6.1 Prozesse	78
3.6.2 Wozu Betriebssysteme?	80
3.6.3 Aufgaben und Schichtenmodell eines Betriebssystems	82
3.6.4 Echtzeitbetriebssysteme	84
3.6.5 Zeitablaufplanung in Echtzeitbetriebssystemen	84
3.6.6 Prioritätsumkehr und Prioritätsvererbung	91
3.7 Zusammenfassung	93
4 Kommunikation, Busse, Netzwerke und verteilte Systeme	95
4.1 Das ISO-OSI-Referenzmodell	95
4.2 Modellierung der Kommunikation	99
4.2.1 Kommunikationsprimitive	99
4.2.2 Der parallele Bus	102
4.3 Verteilte Systeme	111
4.4 Netzwerke	113
4.4.1 Kommunikationsmodi	114
4.4.2 Netzwerk-Topologien	114
4.5 Busähnliche Netzwerke oder serielle Busse	117
4.5.1 Der I2C-Bus	119
4.5.2 Der CAN-Bus	120
4.5.3 FlexRay, LIN und MOST	123
4.5.4 Profibus (Process Field Bus)	124
4.5.5 Weitere Verbindungsnetzwerke für verteilte Systeme	126
4.6 Zusammenfassung	128
5 Entwicklungsmethodik	129
5.1 Die Produktivitätslücke	129
5.2 Anforderungen	131
5.2.1 Nichtfunktionale Anforderungen	131
5.2.2 Lastenheft	135
5.3 Der Beginn einer Entwicklung	137
5.3.1 Der Architekturbegriff	138
5.3.2 Pflichtenheft	139
5.3.3 Spezifikation	140
5.4 Entwurfsmethoden von Software-Systemen	142
5.4.1 Das Wasserfallmodell	142
5.4.2 Das Spiralmodell	144
5.5 Hardware-Entwicklungsmethodik: Die Abstraktionsebenen	145
5.6 Entwicklungsmethoden von Eingebetteten Systemen	149
5.6.1 Erfassen und Simulieren	150
5.6.2 Beschreiben und Synthetisieren	151
5.6.3 Spezifizieren, Explorieren und Verfeinern	152
5.6.4 Evolution der Chip-Entwicklung: Vom ASIC zum SoC	154
5.6.5 Plattformbasierter Entwurf für Ein-Chip-Systeme	157
5.6.6 Beispiele von Mehrprozessor-Entwicklungsplattformen	159
5.7 Modellieren von Systemen	164
5.7.1 Was sind Modelle?	164
5.7.2 Modelle auf System- und algorithmischer Ebene: Berechnungsmodelle	167
5.7.3 Unified Modeling Language (UML)	180
5.7.4 Transaction Level-Modellierung (TLM)	182
5.7.5 Modellieren auf RT-Ebene	188
5.7.6 Modelle auf Logik-Ebene	193
5.8 Modellbasierte Entwicklungsmethode	193
5.8.1 Synthese	195
5.8.2 System-Synthese	196
5.8.3 Software-Synthese von Eingebetteten Systemen	206
5.8.4 Das ESE-Werkzeug von Gajski et al	223
5.9 Software-Entwicklung für Eingebettete Systeme	224
5.9.1 Programmentwicklung	225
5.9.2 Entwickeln von Klassendiagrammen mit CRC-Karten	225
5.9.3 Entwurfsmuster	228
5.9.4 Programm-Modelle	228
5.9.5 Compiler für Eingebettete Systeme	231
5.9.6 Programm-Optimierungen	231
5.10 Verifikation, Simulation und Validierung	237
5.10.1 Simulation	238
5.10.2 Formale Verifikation	245
5.10.3 Werkzeuge für Modellierung und Simulation	248
5.11 Test	250
5.11.1 Begriffsbestimmungen, Black-Box- und White-Box-Test	251
5.11.2 Ein klassisches Fehlermodell	252
5.11.3 Testmuster	252
5.11.4 JTAG Boundary-Scan	254
5.12 Zusammenfassung	255
6 Beschreibungssprachen für den Systementwurf	257
6.1 VHDL – Eine Hardware-Beschreibungssprache	258
6.1.1 Grundlegender Aufbau	259
6.1.2 Das Sprachkonzept	263
6.1.3 Die Schaltungsbeschreibung	264
6.1.4 Signale und Datentypen	269
6.1.5 Operationen	274
6.1.6 Parallele und sequenzielle Anweisungen	277
6.1.7 Zusammenfassung	290
6.2 Die System-Beschreibungssprache SystemC	291
6.2.1 Grundlagen von SystemC	293
6.2.2 Beispiel eines SystemC-Moduls	296
6.2.3 Simulationssemantik	305
6.2.4 Transaction-Modellierung mit SystemC	307
6.2.5 RTL-Modellierung mit SystemC	308
6.2.6 Zusammenfassung	309
7 Sensornetzwerke	311
7.1 Drahtlose Sensornetzwerke	311
7.1.1 Einsatz von Sensornetzwerken, Topologie	312
7.2 Kommunikation im Sensornetzwerk	314
7.2.1 Der Protokoll-Stapel (Protocol Stack) von drahtlosen Sensornetzwerken	316
7.2.2 Anwendungsschicht	317
7.2.3 Transportschicht	318
7.2.4 Netzwerkschicht	318
7.2.5 Datensicherungsschicht (Data Link)	319
7.2.6 Medium Access Control (MAC)	320
7.2.7 Physikalische Schicht von drahtlosen Sensornetzwerken	326
7.3 Der Sensorknoten	327
7.3.1 Beispiele von Sensorknoten	329
7.4 Kommunikationsstandards für MANETs	331
7.5 Zusammenfassung	333
8 High-Level-Synthese	335
8.1 Einführung: Begriffsbestimmungen und Bewertung	336
8.1.1 Begrisffsbestimmungen	336
8.1.2 Eingabe und Ausgabe eines High-Level-Synthese-Werkzeugs	337
8.1.3 Bewertung von elektronischen Schaltkreisen	340
8.2 Die wesentlichen Schritte der High-Level-Synthese	342
8.2.1 Allokierung	343
8.2.2 Die Komponentenbibliothek	344
8.3 Zeitablaufplanung (Scheduling)	345
8.3.1 Einführung in die Zeitablaufplanung: Der Sequenzgraf	345
8.3.2 Zeitablaufplanung ohne Ressource-Schranken	348
8.3.3 Zeitablaufplanung unter Ressource- und Zeitschranken	352
8.3.4 Einige besondere Verfahren der Zeitablaufplanung	365
8.3.5 Zusammenfassung des Abschnitts Zeitablaufplanung	369
8.4 Ressourcen-Bindung	369
8.4.1 Kompatibilitäts- und Konfliktgraf	370
8.4.2 Bindung von Speicher-Ressourcen (Registern)	372
8.4.3 Die Grafen-Partitionierungs-Methode	375
8.4.4 Zuweisung von Verbindungselementen und Erstellung der Netzliste	377
8.5 Steuerwerksynthese	384
8.5.1 Das mikrocodebasierte Steuerwerk	385
8.5.2 Das hartverdrahtete Steuerwerk	386
8.6 Zusammenfassung	388
Literaturverzeichnis	389
Index	397

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